一种改性铝酸盐水泥及其制备方法和应用

本发明属于建筑材料，具体涉及一种改性铝酸盐水泥及其制备方法和应用。

背景技术：

1、铝酸盐水泥是以铝矾土和石灰石为原料，经煅烧制得的以铝酸钙为主要成分，氧化铝含量约50％的熟料，再磨制成的水硬性胶凝材料。铝酸盐水泥的主要矿物成为铝酸一钙(cao·al2o3，简写ca)及其他的铝酸盐，以及少量的硅酸二钙(2cao·sio2，简写ca2)等，相比硅酸盐水泥，是一种低碳水泥。但由于铝酸钙水泥具有抗压强度随温度和湿度不稳定变化的特性，故已禁止其作为结构元件的胶凝材料。而铝酸钙水泥后期强度不稳定主要是由于水化产物的不稳定特性而造成的相转化引起的。铝酸钙水泥主要矿物有ca、ca2、c12a7，水化后都会由不稳定化合物cah10、c2ah8最终转变为稳定化合物c3ah6和al(oh)3，其中cah10和c2ah8是cac早期高强度的原因。由于在晶型转变过程中，同时伴随着体积减小和硬化体孔隙率的增大，从而导致铝酸盐水泥后期强度不稳定。此外，铝酸盐水泥用作注浆料的生产成本较高且后期强度不稳定。

2、铝酸钙水泥是常见的铝酸盐水泥，铝酸钙水泥水化产物是人们一直以来的研究重点，对此，有学者通过添加化学外加剂或物理手段的介入，来探讨对水化产物的影响：dimasalan strauss rambo等研究了铝酸钙水泥中加入熟料骨料对水化产物的作用，结果表明水化产物可以在结构表面形成致密层，使之在界面区内具有更好的结合性能，从而使力学性能得到改善。t.manninger在铝酸钙水泥中加入磷酸，得出了磷酸能明显改变水化时浆体内钙离子(ca2+)和铝离子(al3+)的浓度，提供了反应缓冲期，从而影响水化反应过程和水化物相的形成过程。另一方面，有研究者通过生成其他水化产物来提高后期强度：l.fernández-carrasco等对铝酸钙水泥试件进行了超临界碳酸化养护，结果表明超临界碳酸化养护后主要产物为碳酸钙和氢氧化铝。h.m.son a等在铝酸钙水泥中添加纳米二氧化硅，可以延缓亚稳态水化产物cah10和c2ah8向稳定相c3ah6的转化，并通过生成(c2ash8)来维持铝酸盐水泥的长期强度。

3、注浆材料可用于地层裂隙和孔隙中起充填和固结作用，它是实现堵水或加固作用的关键。在有些工程中，需要注浆材料具有早强快硬的特点，如堵水和快速修补工程等。为了制备早强快硬型注浆材料，有的在硅酸盐水泥基注浆材料基础上，通过添加早强剂或纳米材料，有的采用聚氨酯等高分子注浆材料，但存在成本高等缺点。相比之下，纯铝酸盐水泥注浆料由于其后期强度发展不稳定的特性而极少被采用。与此相反，更常见的做法是将铝酸盐水泥与其他水泥复合使用作为注浆料，例如硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥等。

4、因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现思路

1、针对现有铝酸钙水泥由于物相转变引起的强度发展不稳定的问题，本发明的目的在于提供一种改性铝酸盐水泥及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种改性铝酸盐水泥，按质量百分比计，原料组成包括铝酸盐水泥90％和氟石膏10％，以及上述原料总质量0.1-0.4％的kh2po4。

4、优选的，按质量百分比计，原料组成包括铝酸盐水泥90％和氟石膏10％，以及上述原料总质量0.2％的kh2po4。

5、优选的，所述铝酸盐水泥为铝酸钙水泥。

6、优选的，按质量百分比计，所述铝酸钙水泥的化学组成包括：na2o 0-1％、mgo 0-2％、al2o3 50-60％、sio2 5-8％、cao 25-35％、fe2o3 2-4％和其它0-4％。

7、优选的，所述铝酸钙水泥的主要粒径：d10为2-10μm，d50为35-55μm，d90为100-200μm。

8、优选的，按质量百分比计，所述氟石膏的化学组成包括：so3 55-58％、cao 40-42.5％、al2o3 0-0.5％、sio2 0-0.5％、mgo 0-0.05％、fe2o30-0.5％、k2o 0-0.05％、f-0-1.5％和其它0-0.2％。

9、优选的，所述氟石膏的主要粒径：d10为0-2μm，d50为2-5μm，d90为30-100μm。

10、优选的，所述kh2po4为分析纯。

11、本发明提供一种所述的改性铝酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：

12、(1)按原料配比称取铝酸盐水泥、氟石膏、kh2po4，备用；

13、(2)将铝酸盐水泥、氟石膏、kh2po4混合，以120-160r/min的速度搅拌120-180s，即得。

14、本发明提供一种所述的改性铝酸盐水泥在注浆材料中的应用。

15、有益效果：

16、铝酸盐水泥具有快硬早强的特点，将其与氟石膏等复合，并通过添加化学外加剂，可以制备出性能更加优异的复合胶凝材料。本发明针对现有铝酸钙水泥的水化产物和水化特点，通过与氟石膏进行复合，并通过添加二氢钾对其进行改性，得到一种新型复合胶凝材料。

17、本发明采用氟石膏和kh2po4对铝酸盐水泥的凝结时间和抗压强度进行了调控。结果表明，10wt％的氟石膏促成了钙矾石的生成，0.2wt％kh2po4进一步优化了钙矾石的生成，二者的掺入均优化铝酸钙水泥的水化产物和孔结构，尤其是kh2po4使钙矾石的形貌由针状变为纤维状。相应地，在10wt％氟石膏和0.2wt％kh2po4时，初凝时间和终凝时间分别缩短了39％和38％；3d和28d抗压强度分别增大了76％和228.80％。这对铝酸盐水泥基注浆材料的性能调控具有较好的参考作用。

技术特征：

1.一种改性铝酸盐水泥，其特征在于，按质量百分比计，原料组成包括铝酸盐水泥90％和氟石膏10％，以及上述原料总质量0.1-0.4％的kh2po4。

2.如权利要求1所述的改性铝酸盐水泥，其特征在于，按质量百分比计，原料组成包括铝酸盐水泥90％和氟石膏10％，以及上述原料总质量0.2％的kh2po4。

3.如权利要求1所述的改性铝酸盐水泥，其特征在于，所述铝酸盐水泥为铝酸钙水泥。

4.如权利要求3所述的改性铝酸盐水泥，其特征在于，按质量百分比计，所述铝酸钙水泥的化学组成包括：na2o 0-1％、mgo 0-2％、al2o3 50-60％、sio2 5-8％、cao 25-35％、fe2o3 2-4％和其它0-4％。

5.如权利要求3所述的改性铝酸盐水泥，其特征在于，所述铝酸钙水泥的主要粒径：d10为2-10μm，d50为35-55μm，d90为100-200μm。

6.如权利要求1所述的改性铝酸盐水泥，其特征在于，按质量百分比计，所述氟石膏的化学组成包括：so3 55-58％、cao 40-42.5％、al2o3 0-0.5％、sio20-0.5％、mgo 0-0.05％、fe2o30-0.5％、k2o 0-0.05％、f-0-1.5％和其它0-0.2％。

7.如权利要求1所述的改性铝酸盐水泥，其特征在于，所述氟石膏的主要粒径：d10为0-2μm，d50为2-5μm，d90为30-100μm。

8.如权利要求1所述的改性铝酸盐水泥，其特征在于，所述kh2po4为分析纯。

9.如权利要求1-8任一项所述的改性铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.如权利要求1-8任一项所述的改性铝酸盐水泥在注浆材料中的应用。

技术总结
本发明提供一种改性铝酸盐水泥及其制备方法和应用。按质量百分比计，其原料组成包括铝酸盐水泥90％和氟石膏10％，以及上述原料总质量0.1‑0.4％的KH<subgt;2</subgt;PO<subgt;4</subgt;。本发明采用氟石膏和KH<subgt;2</subgt;PO<subgt;4</subgt;对铝酸盐水泥的凝结时间和抗压强度进行了调控。结果表明，10wt％的氟石膏促成了钙矾石的生成，0.2wt％KH<subgt;2</subgt;PO<subgt;4</subgt;进一步优化了钙矾石的生成，二者的掺入均优化铝酸钙水泥的水化产物和孔结构，尤其是KH<subgt;2</subgt;PO<subgt;4</subgt;使钙矾石的形貌由针状变为纤维状。其中，初凝时间和终凝时间分别缩短了39％和38％；3d和28d抗压强度分别增大了76％和228.80％。这对铝酸盐水泥注浆材料的性能调控具有较好的参考作用。

技术研发人员：王雨利,鲍林玉,唐绘雨,孙国文,秦玉洁
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6